Mengenal boson Higgs

Tanggal 4 Juli 2012 boleh jadi akan dikenang sebagai sebuah tanggal penting dalam sejarah ilmu pengetahuan. Pada hari itu para peneliti yang bekerja di Penumbuk Besar Hadron (Large Hadron Collider, LHC)—sebuah pemercepat zarah dan penumbuk atom terbesar di dunia—mengumumkan penemuan sebuah zarah baru yang telah lama dicari yaitu boson Higgs. Zarah yang dikenal media dan khalayak ramai sebagai “Partikel Tuhan” ini disebut-sebut sebagai potongan terakhir yang melengkapi mosaik model standar fisika partikel.

Apakah boson Higgs itu, bagaimana hubungannya dengan model standar fisika partikel, bagaimana ia ditemukan, dan berbagai aspek lain seputar zarah ini akan dibahas dalam artikel ini.

Asal usul massa. Kadangkala kita menimbang berat badan kita, entah untuk mengawasi penampilan setelah menghadiri pesta kawin malam sebelumnya, atau untuk mengawasi kesehatan. Berat badan yang kita rasakan ditentukan oleh dua faktor yaitu gaya gravitasi setempat dan massa badan kita. Selain cahaya yang tidak bermassa, hampir semua objek di alam semesta ini punya massa. Tentu timbul pertanyaan: Dari mana timbul massa?

Ini pertanyaan sederhana yang terdengar sebagai sebuah pertanyaan bodoh atau pertanyaan anak kecil umur 5 tahun. Akan tetapi ini pertanyaan yang sangat penting, karena ini pertanyaan yang menghunjam langsung kepada hakikat dan struktur alam raya. Sebelum menjawab pertanyaan ini marilah kita meninjau dulu model standar fisika partikel.

Melalui serangkaian olah-pikir teoritis dan eksperimen, ahli-ahli fisika telah membangun sebuah “model standar” fisika partikel. Pembaca setia langitselatan mungkin sudah pernah membaca tulisan saya sebelumnya mengenai model standar fisika partikel, bagi yang belum di sana terdapat deskripsi yang lebih lengkap mengenai model tersebut. Berikut ini adalah intisari model standar secara singkat.

Model standar adalah sebuah kompilasi teori yang menggambarkan zarah-zarah mendasar penyusun benda-benda dan bagaimana mereka saling berinteraksi. Model ini konsisten satu sama lain dan cocok dengan fakta-fakta yang ditemukan dalam eksperimen.

Kita mengetahui bahwa seluruh materi di alam semesta ini tersusun atas atom. Setiap atom tersusun atas proton, elektron, dan neutron. Elektron adalah zarah fundamental, yaitu zarah yang tidak dapat dipecah lagi menjadi zarah lain. Elektron bersama-sama dengan zarah fundamental lain yang bernama muon, tauon, dan neutrino digolongkan sebagai lepton. Proton dan neutron bukanlah zarah fundamental karena masing-masing tersusun atas tiga buah zarah fundamental yang bernama Quark.

Zarah-zarah fundamental ini saling berinteraksi melalui tiga gaya fundamental yang beroperasi dalam berbagai tingkatan: Gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah, dan gaya nuklir kuat. Ketiga gaya ini dimediasi oleh empat buah zarah fundamental yang dinamakan boson fundamental: foton menghantarkan gaya elektromagnetik, boson W dan Z menghantarkan gaya nuklir lemah, dan gluon menghantarkan gaya nuklir kuat. Interaksi antar-zarah terjadi karena adanya pertukaran boson dari satu zarah ke zarah lainnya, dan besarnya gaya yang terjadi bergantung pada laju pertukaran boson.

Quark diikat oleh gaya nuklir kuat untuk membentuk proton dan neutron. Proton dan neutron diikat membentuk inti atom, dan elektron terikat ke inti atom oleh gaya elektromagnetik dan membentuk atom, molekul, dan materi.

Inilah deskripsi singkat Model Standar. Model ini telah diuji oleh berbagai eksperimen selama empat dekade terakhir dan dengan sukses mampu menjelaskan pengamatan-pengamatan dalam fisika energi tinggi.

Persoalan terpenting dalam teori Model Standar adalah bahwa teori ini mengasumsikan seluruh zarah fundamental tidak memiliki massa. Namun kita tahu hal ini tidak benar: Kecuali foton yang memang tidak bermassa, semua zarah fundamental lainnya diamati memiliki massa. Lagipula atom tidak akan terbentuk apabila zarah-zarah penyusunnnya tidak bermassa, materi dan kita tidak akan eksis. Massa proton dan neutron dapat kita jelaskan: asalnya berasal dari energi ikat yang ada pada gluon. Gluon mengikat quark menjadi proton dan neutron, dan energi ikat ini setara dengan massa proton dan neutron melalui persamaan Einstein yang terkenal itu: E = mc².

Namun masih timbul pertanyaan mengenai asal muasal massa zarah fundamental yang lain. Mengapa foton bisa tidak bermassa, sementara penghantar gaya nuklir lemah yaitu boson W dan Z, justru punya massa 100 kali dari massa proton?

Mekanisme Higgs. Ada solusi untuk persoalan ini, yaitu dengan mengasumsikan keberadaan sebuah medan tambahan di alam semesta, yang dinamakan medan Higgs. Kita mengenal konsep medan dalam pelajaran fisika di bangku SMU: Medan adalah sesuatu yang punya besaran nilai tertentu dan bisa juga punya arah, misalnya medan gravitasi, medan listrik, atau medan magnet. Kita juga mengetahui bahwa medan listrik dan medan magnet sebenarnya adalah dua aspek dari fenomena yang sama yaitu medan elektromagnetik. Medan magnet timbul karena adanya perubahan dalam medan listrik, dan demikian juga sebaliknya. Medan elektromagnetik ada di mana-mana di alam semesta dan nilainya bergantung pada keberadaan zarah bermuatan listrik.

Sebelum kita bergerak menuju medan Higgs, mari kita tinjau medan elektromagnetik barang sebentar.

Kita memahami bahwa zarah dapat berinteraksi atau tidak dengan medan elektromagnetik. Partikel bermuatan listrik dapat berinteraksi dengan medan elektromagnetik, namun zarah netral tidak dapat. Neutrino, misalnya, tidak bermuatan listrik dan dengan demikian tidak berinteraksi dengan medan elektromagnetik. Interaksi antara sebuah zarah dengan medan elektromagnetik dapat mempengaruhi kondisi zarah tersebut. Sebuah proton yang melewati medan elektromagnetik dapat dipercepat, dan sebuah elektron dapat dilontarkan dari atom juga karena interaksinya dengan medan elektromagnetik.

Medan Higgs juga demikian. Sebuah zarah tak bermassa dapat berinteraksi kuat dengan medan Higgs, yang kemudian kita amati sebagai massa. Zarah yang tidak berinteraksi dengan medan Higgs tidak bermassa dan akan melenggang kangkung begitu saja.

Contoh populer yang sering digunakan untuk menjelaskan konsep ini diberikan oleh ahli fisika asal Inggris, David Miller. Pada tahun 1993, Menteri Riset Inggris William Waldegrave meminta penjelasan sederhana mengenai mekanisme Higgs, dan David Miller menggunakan pertemuan Partai Konservatif Inggris sebagai analogi. Bayangkan di sebuah ruangan berkumpul secara seragam hadirin sebuah pertemuan.

Kemudian masuk mantan Perdana Menteri Inggris (Waldegrave berasal dari Partai Konservatif Inggris dan pada waktu analogi ini dibuat, Margaret Thatcher telah digantikan oleh John Major) ke dalam ruangan tersebut. Seseorang yang sangat populer.

Orang-orang yang berada di sekitar ibu mantan Perdana Menteri kemudian berkumpul di sekitar beliau untuk bercakap-cakap atau hanya sekadar bersalaman, namun orang-orang yang berada jauh dari lokasi beliau tidak terpengaruh karena belum menyadari keberadaan si ibu. Karena banyak orang berkumpul di sekitar si ibu mantan Perdana Menteri, si ibu jadi sulit bergerak dan kehilangan momentum. Beliau akan bergerak perlahan menyeberangi ruangan namun orang-orang yang beliau dekati kemudian menyadari keberadaan beliau dan akan berkumpul di sekitar beliau, sementara orang-orang yang dijauhi kemudian kembali ke posisi semula.

Orang-orang yang berkumpul di dalam ruangan ini dapat dianggap sebagai medan Higgs, dan si ibu mantan Perdana Menteri sebagai sebuah zarah yang berinteraksi sangat kuat dengan medan Higgs. Interaksi yang kuat ini mendistorsi medan Higgs dan menghasilkan kesan adanya massa yang besar bagi zarah tersebut. Orang yang kurang terkenal seperti saya ini tidak akan diperdulikan oleh hadirin dan dengan demikian dapat melaju melampaui ruangan dengan lebih mudah. Sebuah zarah yang berinteraksi lemah dengan medan Higgs dengan demikian memiliki massa yang lebih ringan. Interaksi antara zarah dengan medan Higgs dimediasi oleh sebuah zarah baru yang dinamakan boson Higgs.

Apabila kita mendeteksi boson Higgs, maka kita akan dapat membuktikan bahwa medan Higgs memang ada dan konsep mekanisme Higgs adalah benar adanya. Ini merupakan satu langkah penting dalam menjelaskan asal-usul massa zarah-zarah tertentu. Mekanisme Higgs dinamakan menurut ahli fisika Inggris yang bermukim di Edinburgh, Skotlandia, bernama Peter Higgs. Pada tahun 1964 Peter Higgs menulis makalah yang menggambarkan mekanisme ini beserta uraian matematisnya. Akan tetapi Peter Higgs bukanlah satu-satunya fisikawan yang memikirkan mekanisme ini untuk menjelaskan timbulnya massa, dan bukan pula yang pertama. Pada tahun 1962, fisikawan Philip Anderson sudah menawarkan mekanisme ini, dan kemudian secara terpisah satu sama lain ada dua kelompok lain yang juga mengembangkan mekanisme ini: kolaborasi Robert Brout dan Francois Englert, dan kolaborasi Gerald Guralnik, C.R. Hagen, dan Tom Kibble. Bahwa ada tiga kelompok yang mengerjakan hal yang sama namun tidak mengetahui keberadaan satu sama lain adalah hal yang wajar di jaman baheula karena kita tahu bahwa—walaupun ini sulit dibayangkan—ada masa sebelum internet diciptakan dan orang harus pergi ke kantor pos untuk berkirim surat.

Kalau mau lengkap, Tom Kibble menganjurkan agar secara formal mekanisme ini dinamakan Mekanisme Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble atau disingkat Mekanisme EBHGHK.

Mencari boson Higgs. Cara termudah untuk membuktikan keberadaan medan Higgs adalah dengan mencari boson Higgs. Cara untuk menemukan boson Higgs adalah dengan menabrakkan sejumlah besar proton. Apabila dua buah proton saling bertumbukan, mereka akan pecah menjadi zarah-zarah penyusunnya yaitu quark dan gluon. Dua buah gluon kemudian dapat menyatu membentuk boson Higgs. Akan tetapi, usia boson Higgs sangat pendek: Dalam sekejap boson Higgs langsung meluruh menjadi zarah lain. Ada berbagai cara boson Higgs meluruh, salah satunya adalah dengan memancarkan sepasang foton. Pencarian boson Higgs dengan demikian dilakukan tidak dengan cara mencari boson Higgs itu sendiri, namun dengan mencari zarah-zarah hasil peluruhan boson Higgs.

Energi gluon dalam mengikat quark menjadi proton sangatlah besar, oleh karena itu kita membutuhkan mesin yang dapat mempercepat zarah hingga kecepatan yang demikian besar, paling tidak hingga 99.99998 persen kecepatan cahaya. Dalam kondisi ini sebuah proton memiliki momentum yang sangat besar dan apabila bertumbukan dengan proton lain, energi tumbukannya demikian besar dan dapat menandingi energi ikat gluon.

Inilah alasan mengapa LHC dibangun. LHC adalah sebuah terowongan bawah tanah, berbentuk melingkar dengan garis tengah 27 kilometer dan terletak 100 meter di bawah perbatasan Perancis–Swiss. Di dalam terowongan ini sekitar 1200 magnet digunakan untuk mempercepat dan memandu proton hingga mencapai kecepatan yang dibutuhkan. Dua kelompok proton dipercepat dalam arah yang berlawanan satu sama lain, dan hasil tumbukan ini yang kemudian dianalisis untuk mencari jejak kemunculan boson Higgs.

Boson Higgs sangat jarang muncul. Dari sekitar 10 milyar tumbukan, diperkirakan hanya akan ada 1 boson Higgs yang muncul. Oleh karena itu jumlah eksperimen yang dilakukan harus sangat banyak dan dilakukan selama bertahun-tahun. Dalam waktu satu detik terjadi 40 juta tumbukan di dalam LHC dan eksperimen ini berlangsung setiap saat: 24 jam sehari, 7 hari seminggu.

Statistik berperan penting. Kerumitan lain dalam eksperimen ini adalah kita hanya bisa mengamati situasi sebelum dan sesudah tumbukan terjadi. Kita tahu sepasang proton telah bertumbukan, lalu dalam sekejap dideteksilah zarah-zarah pecahan kedua proton tersebut. Detektor yang dipasang di sekitar lokasi tumbukan dapat merekam munculnya dua pasang foton sebagaimana yang kita harapkan dari peluruhan boson Higgs, namun dua pasang foton juga dapat muncul dari reaksi-reaksi subatomik lainnya dan kita tidak bisa mengetahui siapa yang melakukan ini: dari peluruhan boson Higgs ataukah dari reaksi lainnya?

Untuk menjawab persoalan ini, kita harus tahu betul reaksi-reaksi subatomik apa saja yang berawal pada tumbukan dua proton dan berujung pada munculnya sepasang foton. Karena reaksi-reaksi ini bukanlah reaksi yang kita cari, kita namakan saja reaksi-reaksi ini secara kolektif sebagai reaksi latar (background), sementara reaksi peluruhan boson Higgs menjadi sepasang foton sebagai reaksi sinyal.

Reaksi-reaksi latar dapat kita pahami dengan memanfaatkan pengetahuan kita mengenai model standar fisika partikel. Dari tumbukan dua foton kita dapat mengetahui, reaksi-reaksi subatomik apa saja yang dapat terjadi, dan berapa persen kemungkinan masing-masing reaksi akan terjadi. Selanjutnya kita kemudian melakukan milyaran simulasi komputer yang memperhitungkan berbagai skenario, termasuk kondisi dan kapabilitas detektor, untuk meramalkan ada berapa banyak jumlah kemunculan sepasang foton yang tidak disebabkan oleh peluruhan boson Higgs. Hasil simulasi ini dapat diperiksa-silang dengan data percobaan untuk memastikan bahwa data simulasi konsisten dengan data pecobaan.

Setelah kita memahami jumlah latar yang dapat kita harapkan, selanjutnya kita membandingkannya dengan data yang diperoleh dari eksperimen. Dalam data ini terdapat tidak hanya latar namun juga sinyal. Apabila pada energi tertentu kita amati lebih banyak foton dari yang dapat kita harapkan dari latar semata, maka kita boleh yakin bahwa jumlah foton ekstra ini diakibatkan oleh peluruhan boson Higgs.

Tentu ada pertanyaan, bisa saja dong kelebihan ekstra (dalam bahasa sains disebut ekses) ini diakibatkan oleh latar? Dalam eksperimen ilmiah, pengukuran selalu tidak eksak dan jumlah latar selalu berbeda dengan yang kita harapkan dari simulasi dan perhitungan teoritis. Mungkinkah ekses ini muncul karena ketidakpastian ini? Jika ekses ini tidak berbeda jauh dengan apa yang kita harapkan dari latar saja, maka boleh jadi itu hanyalah memang latar saja dan bukan diakibatkan oleh boson Higgs. Namun apabila berbeda jauh sekali dengan apa yang kita harapkan dari latar saja, maka kemungkinan besar itu memang disebabkan oleh boson Higgs atau fenomena lain yang tidak ketahui sebelumnya.

Dibutuhkan analisis statistik untuk menghitung kebolehjadian bahwa ekses ini memang disebabkan oleh peluruhan boson Higgs. Sebagaimana telah disinggung sebelumnya, boson Higgs dapat meluruh menjadi berbagai zarah lain. Selain menjadi sepasang foton, boson Higgs juga dapat meluruh antara lain menjadi dua pasang lepton atau sepasang quark. Cara-cara lain peluruhan boson Higgs juga diperiksa dan hasilnya kemudian digabungkan. Kita mengamati bahwa ekses ini memang jauh berbeda dari yang kita harapkan dari latar saja. Dari analisis gabungan berbagai cara peluruhan ini disimpulkan bahwa kemungkinan ekses yang diamati adalah akibat latar hanya satu per satu milyar, atau hanya 0.0000001 persen saja.

Dengan kata lain, kita yakin 99.9999999 persen bahwa ekses zarah ini diakibatkan oleh peluruhan boson Higgs. Dari angka inilah kita kemudian dapat menyatakan bahwa boson Higgs “telah ditemukan”, karena kita tahu bahwa kemungkinan bahwa ini hanyalah latar amat sangat rendah.

Pernyataan ini tentu dapat membuat kita merenungkan hakikat sebuah penemuan. Dalam komunitas ilmuwan, sebuah temuan hasil eksperimen ilmiah harus disertai dengan derajat kepastian (atau ketidakpastian) temuan tersebut. Selain harus mampu melakukan eksperimen dengan rapi dan transparan, seseorang yang melaporkan hasil pengamatan atau percobaannya harus mampu melakukan analisis statistik untuk menunjukkan bahwa temuannya sekian persen disebabkan oleh latar, sebagai sebuah pernyataan seberapa yakin ia atas temuannya. Seorang sejawat pernah berkata kepada saya, “kalau belum pernah melakukan analisis statistik, belum melakukan eksperimen fisika!” Saya manggut-manggut saja karena saya sedang sibuk mengunyah rengginang seraya berpusing ria dengan integral (siapa sih yang tidak dipusingkan oleh integral?), namun saya setuju.

Jangan pernah lagi menyebut boson Higgs sebagai “Partikel Tuhan.” Pada tahun 1993, fisikawan Leon Lederman menulis buku berjudul The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? Buku ini meriwayatkan fisika partikel dan mendiskusikan tentang akselerator masa depan yang akan dibangun untuk mencari boson Higgs. Dalam buku ini, untuk pertama kalinya boson Higgs disebut sebagai “Partikel Tuhan,” karena menurut Lederman, boson Higgs memegang peran sentral dalam pemahaman akhir kita mengenai fisika. Mengapa “Partikel Tuhan”? Karena editor buku Lederman tidak membolehkan ia menyebut boson Higgs sebagai “the goddamned particle,” (partikel ngehek) yang mengacu pada sulit dan mahalnya biaya menemukan boson Higgs.

Banyak nama-nama dalam ilmu pengetahuan yang sebenarnya tidak akurat. Kita tahu bahwa tidak ada ledakan dalam Dentuman Besar (Bing Bang). Nama ini awalnya digunakan oleh astronom Fred Hoyle untuk menghina pendukung teori ini, namun kemudian menjadi populer dan melekat. “Partikel Tuhan” juga bukan sebuah penamaan yang akurat. Leon Lederman boleh memperoleh Hadiah Nobel dan punya perasaan yang begitu tinggi pada peran medan Higgs, namun menemukan boson Higgs bukan berarti kita sudah memahami seluruh fisika dan kemudian bisa berhenti meneliti dan pulang kampung ke rumah masing-masing. Menemukan boson Higgs memang adalah sebuah pencapaian besar dalam usaha kita memahami alam, namun mekanisme Higgs bukanlah satu-satunya cara sebuah zarah dapat memperoleh massa. Masih banyak yang perlu kita teliti lebih lanjut. Graviton masih menunggu untuk ditemukan dan kita masih belum memahami bagaimana gravitasi bekerja dalam skala atomik. Materi gelap—yang mencakup 23 persen komponen alam semesta kita—masih belum kita pahami, pun juga dengan energi gelap—yang mencakup 72 persen komponen alam semesta. Boson Higgs boleh jadi berperan penting dalam fenomena yang belum kita pahami ini, namun boleh jadi juga tidak.

Peter Higgs sendiri, selain kurang nyaman dengan penamaan boson Higgs menurut namanya, lebih tidak menyukai sebutan “Partikel Tuhan.” Menyebut boson Higgs sebagai “Partikel Tuhan” dapat mengirimkan pesan yang salah kepada orang yang membaca sebagaimana orang menduga ada ledakan dalam Dentuman Besar. Marilah kita berhenti menyebut boson Higgs dengan sebutan yang demikian bombastis dan hanya bermaksud untuk mencari perhatian.

Selanjutnya: Boson Higgs dan Dentuman Besar? Selain analisis statistik yang baik, kita bisa yakin bahwa boson Higgs telah diamati karena dua hal lain: Pertama, dua eksperimen di LHC, bernama ATLAS dan CMS, melakukan eksperimen yang sama untuk mencari boson Higgs. Mereka memperoleh data yang berbeda dan melakukan analisis yang erpisah, dan tiba pada temuan yang konsisten satu sama lain. Kedua, eksperimen lain di luar LHC juga melakukan hal yang sama dan mengamati peristiwa peluruhan boson Higgs, meskipun dengan derajat keyakinan yang lebih rendah. Dari hasil eksperimen ini, bernama Tevatron, masih ada kemungkinan 0.3 persen bahwa ekses yang diamati disebabkan oleh latar. Dengan derajat keyakinan seperti ini, hasil eksperimen Tevatron menunjukkan “bukti kuat” akan adanya boson Higgs, namun belum “menemukan” boson Higgs.

Boson Higgs telah dideteksi namun masih banyak pertanyaan yang perlu dijawab. Karakteristik lengkap boson Higgs masih perlu diukur dalam eksperimen-eksperimen lanjutan di LHC, dan bagaimana detail interaksi medan Higgs dengan zarah-zarah fundamental lainnya juga merupakan satu hal yang perlu diselami lebih lanjut.

LHC akan berhenti beroperasi sepanjang tahun 2013 dan 2014 untuk peremajaan peralatan sehingga ia akan dapat beroperasi dengan kapabilitas penuh. Selanjutnya LHC akan bekerja mengukur karakteristik boson Higgs dengan lebih teliti dan mencoba meraba fisika partikel di luar model standar.

Diamatinya boson Higgs menunjukkan bahwa medan Higgs memang ada di alam ini. Pemikiran teoritis menduga bahwa medan Higgs punya peranan penting pada masa-masa paling awal terciptanya alam semesta, saat terjadi inflasi alam semesta yaitu pemuaian drastis dalam waktu sangat singkat. Pemuaian alam semesta yang dipercepat, yang diduga didorong oleh energi gelap—suatu bentuk energi yang sama sekali belum kita pahami hakikatnya—bisa jadi terkait pula dengan keberadaan medan Higgs. Kita nantikan penemuan-penemuan selanjutnya.